螺旋埋弧焊管焊縫接觸法自動超聲檢測方法研究

黃 磊,趙新偉，王長安,楊專釗， 吳金輝

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

螺旋埋弧焊管焊縫接觸法自動超聲檢測方法研究

黃 磊1，2,趙新偉1，2，王長安1，2,楊專釗1，2， 吳金輝1，2

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

為了實現(xiàn)螺旋埋弧焊管焊縫接觸法自動超聲檢測（AUT）方法的焊縫全覆蓋檢測，對AUT檢測方法進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，應(yīng)用分區(qū)檢測法從探頭排列與布置、檢測閘門設(shè)置、對比試塊設(shè)計與人工缺陷選擇及檢測結(jié)果顯示與記錄等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過對檢測探頭排列與布置、對比試樣設(shè)計及人工缺陷選擇，利用分區(qū)掃查技術(shù)，可以實現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)缺陷在壁厚范圍全覆蓋檢測，該結(jié)果可為研究螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT檢測方法提供參考，也為制定相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

螺旋埋弧焊管；自動超聲檢測；接觸法；檢測閘門；對比試塊；人工缺陷

Abstract:In order to realize weld complete coverage detection of SAWH pipe weld contact automatic ultrasonic testing(AUT)method,it conducted systematic analysis and study of AUT method from several aspects by using partition test method,such as probe arrangement and distribution,detection threshold setting,reference block design,artificial defect selection,testing result display and record,etc.The research results indicated that through the above methods,it can realize complete coverage detection of weld and HAZ in whole wall thickness scope by using partition scan technology,the result can provide a reference for SAWH pipe contact method testing method,and also give evidence for formulating corresponding standards.

Key words:SAWH pipe;automatic ultrasonic testing;contact method;detection threshold;reference block;artificial imperfections

由于自動超聲波檢測（AUT）檢測速度較快，因此，對于耦合方式的選擇非常重要。超聲波檢測耦合方式分為接觸法和液浸法兩種。接觸法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便、成本較低、入射聲能損失小和檢測靈敏度高；缺點是耦合穩(wěn)定性差，探頭易磨損[1]。

目前，螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT檢測僅能檢測出內(nèi)外表面缺陷，對于焊縫內(nèi)部缺陷檢測沒有具體的要求（包括API SPEC 5L、ISO 3183和DNV-OS-F101等標(biāo)準(zhǔn)），也沒有給出具體的檢測方法[2-5]。因此，研究螺旋埋弧焊管焊縫全覆蓋接觸法AUT檢測方法迫在眉睫。然而，AUT檢測與手工UT檢測不同，為了實現(xiàn)焊縫全覆蓋檢測（長度方向、寬度方向和深度方向），手工UT檢測方法可以用探頭前后、左右、轉(zhuǎn)角和環(huán)繞等多種掃查方式來實現(xiàn)，而AUT檢測就沒有這些優(yōu)勢。本研究從螺旋埋弧焊管焊縫接觸法自動超聲檢測、探頭分布與排列、檢測閘門設(shè)置、對比試樣設(shè)計、人工缺陷選擇以及檢測結(jié)果的顯示與記錄等方面進(jìn)行研究，為實現(xiàn)螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT全覆蓋檢測以及保證管線的安全運行提供了理論基礎(chǔ)。

1 不同缺陷檢測及全覆蓋檢測可行性

1.1 縱向缺陷檢測

裂紋、未熔合和未焊透是嚴(yán)重的焊縫缺陷，由于常用探頭有效聲束寬度范圍為12～15 mm[6]，因此對于壁厚小于12 mm的螺旋埋弧焊管焊縫，需要2對（或組）探頭檢測縱向內(nèi)外焊區(qū)域缺陷，壁厚每增加6 mm，需要增加1對（或組）探頭。圖1為縱向缺陷接觸法檢測示意圖。

螺旋埋弧焊管焊縫一般采用I形或X形坡口，在焊縫坡口面或鈍邊處產(chǎn)生的缺陷，用脈沖反射法或串列式探頭進(jìn)行檢測。由于螺旋埋弧焊管焊縫中間未焊透缺陷一般垂直于焊縫表面或與焊縫表面成較小角度，所以應(yīng)用串列式探頭來檢測焊縫中間未焊透缺陷。圖2為縱向缺陷串列式探頭接觸法檢測示意圖。

圖1 縱向缺陷接觸法檢測示意圖

圖2 縱向缺陷串列式探頭接觸法檢測示意圖

1.2 橫向缺陷檢測

一般來說，螺旋埋弧焊管焊接過程中出現(xiàn)橫向缺陷的幾率較小，因此對于橫向缺陷檢測應(yīng)用K形或X形布置探頭進(jìn)行檢測，探頭采用一發(fā)一收排列，V形反射信號進(jìn)行橫向缺欠檢測。此種布置需要兩個探頭很好定位和一個相對于鋼管幾何形狀相當(dāng)復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如壁厚、管徑和曲率等）。圖3為橫向缺陷K形或X形布置探頭接觸法檢測示意圖。

圖3 橫向缺陷K形或X形布置探頭接觸法檢測示意圖

1.3 分層缺陷檢測

熱影響區(qū)的質(zhì)量與焊縫同等重要，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“檢測區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫本身再加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的一段區(qū)域，這個區(qū)域最小為5 mm，最大為10 mm[7]”。對于壁厚較薄時，采用雙晶探頭接觸法；壁厚較厚時，采用單晶探頭接觸法，檢測方法示意圖如圖4所示。

圖4 分層缺陷接觸法檢測示意圖

1.4 AUT全覆蓋檢測的可行性

焊管焊縫AUT檢測的覆蓋率主要由探頭的排列與布置決定。探頭的排列與布置主要由對比試塊中目標(biāo)反射體的位置決定。厚壁埋弧焊鋼管焊縫一般采用X形坡口，再結(jié)合鋼管焊縫壁厚，將檢測區(qū)域分為上表面、上坡口、鈍邊、下坡口和下表面，檢測區(qū)域如圖5所示，這樣就保證整個壁厚范圍內(nèi)的所有缺陷能夠被檢測。

圖5 焊縫缺陷檢測區(qū)域示意圖

2 檢測探頭排列與布置

AUT檢測不像手動超聲波檢測那樣可以通過探頭前后、左右、轉(zhuǎn)角和環(huán)繞等多種掃查方式來實現(xiàn)在被檢測范圍內(nèi)（長度、寬度和深度）的全覆蓋檢測，因此，要實現(xiàn)AUT全覆蓋檢測，探頭排列和布置是非常重要。探頭排列與布置主要從保證超聲波束覆蓋整個焊縫區(qū)域考慮。一般使用探頭有效聲束寬度為12～15 mm，結(jié)合焊接過程中使用的坡口形式，螺旋埋弧焊管焊接過程中最容易出現(xiàn)的缺陷類型可分縱向缺陷和橫向缺陷，主要缺陷有裂紋、未熔合、未焊透、咬邊和錯邊等。鑒于AUT檢測所用探頭聲束具有一定寬度，為了保證超聲波束全覆蓋整個焊縫區(qū)域，按照不同壁厚范圍對探頭進(jìn)行排列與布置。一般來說，焊縫分為3個壁厚區(qū)間，分別為6 mm≤t≤12 mm、 12 mm

3 檢測閘門設(shè)置

螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT檢測過程中使用的每組（或?qū)Γ┨筋^都一一對應(yīng)每個人工缺陷進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測探頭在壁厚范圍和寬度范圍全覆蓋檢測主要依靠對比試樣上人工缺陷的位置來決定，在壁厚范圍全覆蓋主要由探頭排列與布置決定，在寬度范圍全覆蓋主要由檢測閘門設(shè)置決定。下面對于探頭在一定寬度范圍全覆蓋問題進(jìn)行研究。

3.1 縱向缺陷檢測閘門設(shè)置

縱向缺陷檢測閘門設(shè)置如圖7所示。檢測縱向缺陷時，探頭L11檢測閘門起點設(shè)置在圖7中虛線豎通孔（距離焊趾為壁厚30%，最小5 mm，最大10 mm）反射波前端至少1 mm處，閘門終點設(shè)置在焊縫中心豎通孔反射波后端至少1 mm處[9]； 探頭L12檢測閘門設(shè)置與探頭 L11相似。其余檢測縱向缺陷的探頭檢測閘門設(shè)置與探頭L11-L12檢測閘門設(shè)置相似。

圖7 縱向缺陷檢測閘門設(shè)置

3.2 橫向缺陷檢測閘門設(shè)置

橫向缺陷檢測閘門設(shè)置如圖8所示。檢測橫向缺欠時，使用K形或X形探頭檢測，探頭T21檢測閘門的起點設(shè)置在圖8中虛線豎通孔反射波前端至少1 mm處，閘門的終點設(shè)置在實線豎通孔反射波后端至少1 mm處[8]；探頭T12檢測閘門的設(shè)置與探頭T22敘述相似。其余檢測橫向缺陷的探頭的檢測閘門的設(shè)置與探頭T21-T22檢測閘門的設(shè)置相似。

圖8 橫向缺陷檢測閘門設(shè)置

3.3 分層缺陷檢測閘門設(shè)置

檢測分層缺陷時，檢測區(qū)域?qū)挾纫鶕?jù)具體標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求確定，一般為25 mm以內(nèi)，探頭D-D檢測閘門設(shè)置如圖9所示（圖中T為始波，S為界面波，F(xiàn)為缺陷波，B1為一次底波，B2為二次底波）[9]。閘門起點在一次界面波后至少1 mm處，閘門終點在一次底波前至少1 mm處,圖中a的長度為閘門寬度，其長度與b相同。

圖9 分層缺陷檢測閘門設(shè)置示意圖

4 對比試塊設(shè)計與人工缺陷選擇

對比試塊設(shè)計的目的是保證超聲波束覆蓋整個焊縫區(qū)域。用于螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT檢測的對比試塊是一種非常重要的部件，它是整套系統(tǒng)校準(zhǔn)和評判焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。一塊設(shè)計不合格或人工缺陷加工精度不高的對比試塊都會導(dǎo)致缺陷的漏檢或誤判。

設(shè)計對比試塊前必須從制造商處獲得焊接坡口的類型，從而準(zhǔn)確地選擇人工缺陷類型。焊接坡口類型確定以后，就可以確定人工缺陷的類型。螺旋埋弧焊管焊縫壁厚≤12 mm時，一般采用I形坡口；壁厚＞12 mm時，一般采用X形坡口。根據(jù)坡口類型可以確定外焊區(qū)/內(nèi)部/內(nèi)焊區(qū)人工缺陷的取向，內(nèi)部人工缺陷角度或取向一般垂直于坡口。對于檢測不同壁厚鋼管焊縫的內(nèi)部縱向缺陷，當(dāng)壁厚范圍在12 mm

圖10 壁厚區(qū)間為12 mm＜t≤18 mm的內(nèi)部縱向缺陷設(shè)計

對比試塊上人工缺陷的分布，按照檢測縱向缺陷、橫向缺陷和分層缺陷分布。人工缺陷之間保持一定間距，以便在檢測時不同人工缺陷不會受到相鄰反射體超聲波束干擾。螺旋埋弧焊管焊縫接觸法AUT檢測對比試塊的設(shè)計分為3個壁厚區(qū)間，分別為6 mm≤t≤12 mm、12 mm

圖11 壁厚區(qū)間為12 mm＜t≤18mm的對比試塊設(shè)計

對比試塊材料與被檢測鋼管材料保持一致（最好同規(guī)格），在加工試塊之前需要對材料進(jìn)行無損檢測，保證其內(nèi)部沒有任何影響檢測的缺陷，如果沒有發(fā)現(xiàn)一定當(dāng)量缺陷（一般為Φ2.0 mm平底孔）就可以進(jìn)行人工缺陷的加工，加工的人工缺陷必須由具有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)合格后方可使用。

5 檢測結(jié)果顯示與記錄

AUT檢測結(jié)果除了顯示與記錄業(yè)主單位、工程名稱、設(shè)備型號、鋼管規(guī)格、鋼級、選用坡口類型、檢測人員、檢測時間、檢測結(jié)果等信息外，還應(yīng)顯示與記錄每個通道探頭耦合監(jiān)視、缺陷位置、每個通道缺陷狀況等信息。只有準(zhǔn)確地顯示這些信息，才能確保AUT檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，實現(xiàn)被檢測焊縫的質(zhì)量。

以壁厚在12 mm

從圖12可以看出，螺旋埋弧焊管焊縫AUT檢測顯示了每個通道的耦合監(jiān)視狀況（圖中灰色顯示），上面刻度顯示了每個通道的缺陷位置，目標(biāo)反射體1/9、2/8、3/7、5、10/11和12/13在每個通道均顯示出來，試驗結(jié)果與對比試樣的人工缺陷相對應(yīng)，達(dá)到了預(yù)期試驗結(jié)果。

圖12 鋼管焊縫AUT檢測帶狀圖

6 結(jié) 論

（1）通過對檢測探頭排列與布置、對比試樣設(shè)計及人工缺陷選擇，利用分區(qū)掃查技術(shù)，實現(xiàn)了被檢測焊縫和熱影響區(qū)缺陷在壁厚范圍全覆蓋檢測。

（2）對比試樣人工缺陷設(shè)計增加了距焊縫一定距離豎通孔，實現(xiàn)焊縫和熱影區(qū)一定寬度范圍全覆蓋檢測。

（3）檢測結(jié)果記錄顯示每個通道缺陷位置和分布及每個通道探頭耦合狀態(tài)。

（4）對壁厚大于12 mm的焊管焊縫，對比試塊上人工缺陷的設(shè)計增加了垂直于坡口面的平底孔檢測。

（5）對于橫向缺陷的檢測，螺旋埋弧焊管焊縫選取K形或X形探頭布置檢測。

[1]鄭輝，林樹青，壽比南，等.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2005：164-166.

[2]API SPEC 5L,管線鋼管規(guī)范（45 版）[S].

[3]ISO 3183—2007，Petroleum and natural gas industries-Steel pipe for pipeline transportation systems[S].

[4]GB/T 9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[5]DNV-OS-F101 2007，Submaring Pipeline Systems[S].

[6]杜偉，黃磊，李云龍，等.西氣東輸二線超聲波檢驗對比試樣的合理性分析[J].無損檢測,2011,33（5）:49.

[7]JB/T 4730.3—2005，承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲波檢測[S].

[8]Q/SY-TGRC67—2014，承壓用埋弧焊厚壁鋼管焊縫缺欠自動超聲波檢測方法[S].

[9]黃磊，趙新偉，李記科，等.西氣東輸三線管道工程用埋弧焊鋼管焊縫自動超聲波檢測對比試塊的合理性分析[J].無損檢測,2014,36（2）:40.

[10]Q/SY-TGRC68—2014，承壓用埋弧焊厚壁鋼管焊縫缺欠自動超聲波檢測方法用試塊[S].

Research on Automatic Ultrasonic Testing Method of SAWH Weld

HUANG Lei1,2，ZHAO Xinwei1,2，WANG Changan1,2， YANG Zhuanzhao1,2，WU Jinhui1,2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101,China）

TG115

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.011

2017-03-27

編輯：李 超

黃 磊（1968—），男，高級工程師，中石油企業(yè)二級技術(shù)專家，主要從事石油管工程技術(shù)服務(wù)與咨詢工作。